排球跳发球空中阶段下肢关节动力学对攻击臂手速度的贡献机制研究

《BMC Sports Science, Medicine and Rehabilitation》：Lower-limb joint kinetics and their contribution to attacking arm hand velocity during the aerial phase of the volleyball jump serve

本研究针对排球跳发球空中阶段下肢动力学贡献机制不清的问题，通过三维运动捕捉系统分析17名男性职业运动员的下肢关节力矩、功率及骨盆运动学参数。结果发现非攻击侧髋关节屈曲力矩峰值与骨盆前倾角速度峰值共同解释了53.2%的手部速度变异（调整R2=0.532），首次揭示了下肢肌群通过骨盆-髋耦合机制及膝关节伸肌的牵张-缩短周期（SSC）作用，在无地面支撑环境下仍能有效促进动能链传递。该研究为优化跳发球技术提供了新的生物力学理论基础。

　　

在现代排球比赛中，跳发球已成为最具攻击性的得分手段之一。运动员通过助跑、起跳、空中击球的连贯动作，使球达到超过100公里/小时的初速度，直接破坏对方一传体系。然而长期以来，教练员和研究者们将技术优化重点集中于上肢鞭打动作和躯干旋转环节，对空中阶段下肢的运动机制认知存在显著空白。由于人体在空中仅受重力作用，传统基于地面反作用力的生物力学理论难以直接应用，这使得探索无支撑状态下下肢如何参与动能传递成为极具挑战性的课题。

《BMC Sports Science, Medicine and Rehabilitation》最新刊发的论文首次系统揭示了这一“黑箱”机制。研究团队通过三维运动捕捉系统（200Hz）同步测力台（200Hz）技术，对17名男性职业排球运动员的跳发球动作进行生物力学解析。采用七段下肢模型进行逆动力学计算，重点分析触球瞬间（BC）手部速度与下肢关节参数的相关性。特别创新性地将下肢区分为攻击侧（右腿）和非攻击侧（左腿），分别计算髋、膝关节在矢状面内的力矩、功率及骨盆运动学参数。

攻击臂手速度特征

数据显示运动员触球瞬间手部速度达到峰值（具体数值未公开），这是决定球速的关键生物力学指标。相关分析表明，该指标与多个下肢参数存在显著关联。

骨盆角速度的驱动作用

研究发现骨盆前倾角速度峰值（3.93±1.06 rad/s）与手部速度呈正相关（r=0.596）。在动作时序上，骨盆在肩部最大外旋（MSE）阶段达到前倾峰值，其角速度变化曲线显示从起跳（TO）后约40%阶段开始加速前倾。这一发现修正了传统认知中仅强调骨盆旋转作用的观点，证实前倾运动才是动能传递的核心环节。

攻击侧下肢动力学

攻击侧膝关节伸展力矩峰值（-0.92±0.34 Nm/kg）与手部速度负相关（r=-0.499），而正功率峰值（7.05±3.63 W/kg）呈正相关（r=0.532）。其功率曲线呈现典型的牵张-缩短周期（SSC）特征：先出现负功率阶段（能量储存），随后转为正功率（能量释放）。这种"先屈后伸"的运动模式与地面起跳阶段的生物力学机制高度相似。

非攻击侧下肢的核心贡献

非攻击侧髋关节屈曲力矩峰值（1.74±0.46 Nm/kg）与手部速度相关性最高（r=0.595），其正功率峰值（9.84±3.06 W/kg）也显著相关（r=0.576）。时序分析显示，该侧髋关节在动作后期产生持续屈曲力矩，与骨盆前倾角速度峰值出现时段高度重合。膝关节参数同样表现出SSC特征，其伸展力矩（-0.90±0.38 Nm/kg）和正功率（6.07±3.73 W/kg）均与手速显著相关。

多变量回归模型

逐步回归分析得出最优预测模型：手部速度=9.113+0.830×（骨盆前倾角速度峰值）+1.892×（非攻击侧髋屈曲力矩峰值）。该模型调整R2达0.532（p=0.002），意味着仅通过这两个下肢参数即可解释过半的手速变异。值得注意的是，膝关节参数虽在单变量分析中显著，但因与主预测变量高度共线性未被纳入最终模型。

研究结论深刻揭示了空中阶段下肢运动的三重机制：首先，非攻击侧髋屈肌通过产生屈曲力矩驱动骨盆前倾，形成动能链的起始动力；其次，双侧膝关节伸肌通过SSC机制维持机体动能水平，补偿因重力作用导致的能量损耗；最后，下肢环节通过角动量守恒原理抵消上肢旋转产生的角动量，维持空中身体平衡。这些发现突破了传统训练中偏重上肢技术的局限，为制定针对性的下肢力量训练方案（如弓步跳、快速深蹲跳等）提供了理论依据。

该研究的创新性在于首次量化了无支撑状态下下肢关节动力学参数，建立了其与击球效果的因果关系模型。未来结合肌电（EMG）技术深入探究特定肌肉贡献度，并拓展至不同性别、水平运动员的对比研究，将进一步完善排球生物力学理论体系。